Робота № 4/2. Визначення теплоти нейтралізації калориметричним методом

Мета роботи. Визначити теплоту реакції нейтралізації соляної кислоти лугом методом калориметрії.

Методика роботи. Дослідним шляхом показано, що нейтралізація 1 моль-екв. будь-якої сильної кислоти сильною основою в розведених розчинах завжди супроводжуються майже одним і тим самим екзотермічним тепловим ефектом, що дорівнює 56,9 кДж/моль-екв. З позиції теорії електролітичної дисоціації даний факт пояснюється тим, що в розведених розчинах реакція нейтралізації зводиться лише до утворення молекули води із іонів Н⁺ та ОН^-:

або в іонній формі

Якщо ж нейтралізується слабка кислота сильною основою, або навпаки, тепловий ефект може бути як більшим, так і меншим від величини 56,9 кДж/моль-екв. Це пов'язано з тим, що ступінь дисоціації таких кислот або основ є незначним і процес нейтралізації одночасно супроводжується процесом дисоціації слабкої кислоти (основи) на іони. Тому .

Наприклад, для випадку нейтралізації розчину слабкої оцтової кислоти розчином сильної основи (NaOH) будуть одночасно мати місце такі процеси:

; Н_дис.

(рід); H_нейтр.

-----------------------------------------------------------------------------

(рід); Н,

де

Порядок роботи. При змішуванні розчинів кислоти і лугу, поряд з нейтралізацією, йде розведення розчину. Тепловий ефект, який визначається при проведенні досліду (Н), є сумарною величиною

.

Для нейтралізації беруть невеликий надлишок основи, щоб повністю нейтралізувати кислоту. Якщо вихідна концентрація кислоти є в декілька разів більшою за концентрацію лугу, то величиною Н_{розб. лугу} можна знехтувати і прийняти, що

. (1)

Опис калориметричного пристрою і порядок роботи з ним наведено у роботі № 4/1. Спочатку, як завжди, визначається стала калориметра С.

Для проведення експерименту треба приготувати 4 н розчин кислоти і знайти теплоту її розведення в калориметрі. При цьому в зважену ампулу з пробійником внести 15 мл такого розчину і знайти його масу за різницею маси ампули з кислотою і без неї. Розрахувати точний об'єм V кислоти за її густиною. У калориметричну склянку налити 350 мл дистильованої води, зібрати калориметр, помістити ампулу у відповідний отвір кришки. Провести дослід так, як це описано в роботі № 4/1.

Теплоту розведення 1 моль-екв. кислоти розрахувати за рівнянням:

, (2)

де N - нормальність кислоти.

Після цього калориметр розібрати і промити всі його частини дистильованою водою. У калориметричну склянку налити 350 мл 0,2 н розчину КОН. Взяти таку саму наважку кислоти, як при визначенні теплоти її розведення, і провести дослід аналогічно попередньому. За рівнянням (2) розрахувати сумарний тепловий ефект. За рівнянням (1) обчислити H_нейтр.. Значення Н_{розб.к-ти} треба визначити з урахуванням сумарної теплоти нейтралізації, що спостерігається в експерименті (реакція ендотермічна).

Література: [ 20-23].

Робота № 4/3. Визначення теплоти реакції окиснення.

Мета роботи. Визначити теплоту окиснення щавлевої кислоти.

Методика роботи. Для визначення теплоти реакції окиснення (чи будь-якого іншого процесу) необхідно знати так звану сталу калориметра С. Ця величина являє собою суму теплоємностей усіх частин приладу, сумарну теплоємність системи. За фізичним змістом це кількість теплоти, необхідної для нагрівання на 1°С калориметра і усіх його частин, що беруть участь в теплообміні: .

Для визначення С у даній роботі використовується електричний метод. Принцип його полягає в тому, що в зібраний калориметр через електронагрівач пропускають електричний струм протягом суворо визначеного часу (τ, с). Сила струму (І, А) та падіння напруги у нагрівачі (U, В) реєструються за допомогою приладів. Спостерігають викликану пропусканням електричного струму зміну температури. Кількість виділеної теплоти розраховують за законом Джоуля: .

Якщо тепер у цьому калориметрі провести основний термохімічний процес, його тепловий ефект (Q) можна розрахувати за рівнянням: , де Δt - дійсна зміна температури в цьому процесі.

Теплоту реакції окиснення визначають на прикладі реакції:

Порядок роботи. Підготувати прилад для проведення досліду (опис калориметра наведено у роботі № 4/1). Увімкнути термостат. Відміряти (піпеткою) в калориметричний стакан 50 мл води, 50 мл 30%-ного розчину Н₂SО₄ та 50 мл 1,25%-ного розчину КМnO₄.

На технічних терезах зважити 0,2 - 1,0 г (g) щавелевої кислоти, перенести в зважену на аналітичних терезах ампулу і знову зважити на аналітичних терезах з точністю до 0,001 г.

Закріпити ампулу в кришці термостата.

Встановити в термостаті калориметричний стакан з розчинами Н₂SО₄ та КМnО₄. Закріпити так, щоб ртутний резервуар термометра Бекмана був повністю вкритий водою.

Почати запис температури через кожні 30 с з точністю до 0,002°С. Зробити 10-11 відліків. Записавши час останнього відліку і не припиняючи запис температури, увімкнути електричний струм на 2-3 хв. Починаючи з моменту проходження струму відбувається нерівномірна зміна температури, яка триває деякий час після проходження струму і поступово переходить у рівномірну. Відліки температури нанести на графік температура - час. Зміну температури визначити графічним методом, як це описано в роботі № 4/1. Дослід з визначення сталої калориметра проводити тричі.

Охолодити калориметричний стакан до початкової температури, витримати 5-10 хв і почати запис температури, як у попередньому досліді. На 11-му відліку розбити пробійником ампулу (пробійник одразу вийняти), продовжуючи запис температури. Визначити графічно Δt.

Розрахувати молярну теплоту окиснення (Q) за рівнянням: , де М - молекулярна маса щавлевої кислоти; g - наважка щавлевої кислоти.

Література: [25, с. 142-143].